Capitolo 3. Motore asincrono

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1 Capitolo 3 Motore asincrono 3.1 Introduzione 3.2 Principio di funzionamento ed aspetti costruttivi 3.3 Interpretazione fisica del circuito equivalente 3.4 Funzioni e curve caratteristiche 3.5 Avviamento, inversione di marcia e regolazione della velocità 3.6 Motori a doppia gabbia 3.7 Funzionamento come generatore e freno 3.8 Dati di targa 3.9 Motore asincrono monofase 3.10 Motore lineare 3.11 Funzionamento in condizioni di alimentazione anormale Appendice: diagramma circolare e sue caratteristiche Sommario Il motore asincrono trifase assolve il fondamentale compito di convertire l energia elettrica in energia meccanica. Oggi, circa il 70% dei motori elettrici in esercizio è di questo tipo che, insieme al trasformatore, è stato assolutamente determinante nella diffusione

2 dell energia elettrica nel mondo sostituendo, in larghissima misura, tutti gli altri mezzi di produzione o trasmissione di forza motrice, sia nell industria che nelle applicazioni domestiche.

3 3.1 Introduzione Il Motore Asincrono Trifase, che nel seguito indicheremo più semplicemente con la sigla MAT, venne per la prima volta realizzato da Galileo Ferraris nel Esso viene alimentato direttamente dalla rete di distribuzione, a tensione e frequenza costanti, e rappresenta il motore elettrico più semplice, economico, robusto ed affidabile che la tecnica conosca. È ad elevato rendimento, non richiede lubrificazione, né manutenzione, non presenta alcuna difficoltà o particolarità per l avviamento e, pertanto, è il dispositivo più diffuso nell utilizzazione dell energia elettrica come forza motrice. Il suo principio di funzionamento si basa sulla creazione di un campo rotante, realizzabile per mezzo di circuiti fissi nello spazio e percorsi da correnti polifasi, in particolare da correnti trifasi. Tuttavia, per piccole potenze, oppure per limitate applicazioni speciali, questo motore può anche essere di tipo monofase, come vedremo più in dettaglio nel seguito. Rispetto agli altri tipi di motori elettrici, il MAT presenta diversi vantaggi: peso ed ingombro ridotti a parità di potenza; mancanza di particolari dispositivi di eccitazione prelevando, direttamente dalla rete, la potenza magnetizzante necessaria per creare il flusso induttore della macchina; è autoavviante; sviluppa, spontaneamente ed automaticamente, variando la propria velocità, una coppia motrice atta a controbilanciare la coppia resistente applicata all albero motore, determinando un funzionamento stabile (all aumentare del carico rallenta); sovraccaricabilità, anche il 100% della sua potenza nominale; esigenze di manutenzione molto ridotte, semplicità di esercizio ed alto rendimento. D altro canto, presenta alcuni aspetti vincolanti, tra i quali: all avviamento, con inserzione diretta sulla rete, la corrente di spunto può risultare anche 4-10 volte maggiore della corrente assorbita a pieno carico, con problemi alla rete di distribuzione (cadute di tensione) ed agli interruttori (intervento); questa corrente risulta, inoltre, essere tanto sfasata rispetto alla tensione (come nei trasformatori in corto circuito) che la coppia motrice sviluppata dal motore all avviamento, detta coppia di spunto, è piccola nonostante l elevato valore della corrente assorbita; la velocità di rotazione del MAT, nel campo di funzionamento normale, praticamente costante, perché strettamente legata alla frequenza della corrente di alimentazione; la coppia massima (proporzionale al quadrato del rapporto tra il valor efficace della tensione di alimentazione e la frequenza) costante ed ad una ben precisa velocità.

4 Segue da quanto detto che, laddove un dispositivo meccanico deve essere azionato senza particolari esigenze di regolazione di velocità o di coppia, ivi è il regno incontrastato di applicazione del MAT: montacarichi, gru, ascensori, macchine utensili tradizionali, pompe, ventilatori sono da decenni azionati in maniera soddisfacente da questo tipo di motore. L unico ostacolo che si oppone ad una diffusione praticamente universale del MAT è l impossibilità di regolare velocità e coppia in ampi intervalli, a costi contenuti. È per questo motivo che, in Italia, dal 1925 al 1980, nella trazione ferroviaria si ebbe il progressivo disuso dei locomotori elettrici con motori trifasi, a tensione e frequenza fisse, a favore del motore a corrente continua a 3 kv che presentava la possibilità di modulare coppia e velocità con una flessibilità maggiore (si tenga presente che, all epoca, i locomotori azionati da MAT potevano avere non più di 4 velocità obbligate di marcia: 25 km/h, 37.7 km/h, 75 km/h e 100 km/h!). Questo ostacolo è stato superato ai nostri giorni con l elettronica di potenza (un locomotore pesa anche 100 tonnellate ed ha 2 MW di potenza installata) che, grazie alla rivoluzionaria capacità dei diodi e dei tiristori di potenza di rendere indipendenti la tensione e la frequenza della linea di alimentazione da quelle che alimentano i motori, ha reso possibile montare MAT su locomotori circolanti sotto catenarie a corrente continua, alimentandoli non più a tensioni e frequenze fisse ma variabili finemente in modo tale da regolare con precisione coppia e velocità. Il MAT è, generalmente, sotto l aspetto elettrico, un utilizzatore trifase che provvede a convertire energia elettrica in meccanica per azionare meccanismi semplici ed economici, viene alimentato direttamente dalla rete, a tensione e frequenza costanti, e la sua velocità di rotazione è praticamente costante in quanto lo scarto di velocità, da vuoto a pieno carico, non supera, generalmente, il 4%. Il tipo di motore che andremo a studiare è un motore trifase costruito in grande serie, usato su vasta scala e con potenze che vanno dai centesimi a qualche decina di migliaia di chilowatt. Vale la pena osservare che i motori asincroni possono essere alimentati con un sistema polifase simmetrico qualunque di tensioni, ma, poiché la distribuzione dell energia elettrica viene fatta esclusivamente con sistemi trifasi, nella pratica vengono realizzati solo MAT. Il MAT avendo un funzionamento reversibile, come tutte le macchine elettriche, può funzionare anche da generatore, ma la sua utilizzazione in questa veste non è molto frequente. Infatti il funzionamento come generatore è subordinato alla possibilità di assorbire dalla rete, sotto tensione a frequenza f, la potenza reattiva necessaria a creare il campo magnetico induttore: senza di esso la macchina non potrebbe funzionare in nessun caso.

5 In alcuni casi il funzionamento da generatore è temporaneo, come avviene per i motori di trazione elettrica (locomotori) nel caso di marcia in discesa (frenatura in recupero). Il funzionamento da generatore è tuttavia così poco frequente che si parla quasi sempre di motore asincrono. In questo capitolo esamineremo il principio di funzionamento, le particolarità costruttive, i parametri del circuito equivalente, le caratteristiche di funzionamento, l avviamento e la regolazione della velocità, il significato dei principali dati di targa di un MAT. 3.2 Principio di funzionamento ed aspetti costruttivi Lo scopo di questo paragrafo è illustrare il principio di funzionamento e la struttura generale del MAT, visto, prevalentemente, nel funzionamento come motore ed esaminarne i principali aspetti costruttivi e le scelte tecniche poste alla loro base, molte delle quali risulteranno più chiare nel corso della trattazione della macchina. Principio di funzionamento Il principio di funzionamento di qualsiasi motore elettrico si basa sulle applicazioni delle azioni meccaniche (forze) che si esercitano tra elettromagneti e correnti. Come abbiamo già discusso nello studio della macchina sincrona, queste forze sollecitano i conduttori quando, immersi in un campo magnetico, sono percorsi da corrente. Nel caso particolare in cui il campo e la corrente siano perpendicolari tra loro, l intensità di questa forza è data da F = i L B, e si misura in newton se l induzione magnetica B è in tesla, la lunghezza L dei conduttori in metri e la corrente i in ampere. Il funzionamento del MAT si basa, inoltre, sull impiego di un campo magnetico del tutto speciale, il campo rotante, che abbiamo già dettagliatamente descritto nel primo capitolo del testo dedicato alle macchine statiche. Per rendere più concrete le idee, consideriamo la Figura 3.1 in cui una spira di materiale conduttore è immersa in un campo magnetico rotante; la spira è imperniata e libera di ruotare intorno ad un asse, parallelo o coincidente con l asse di rotazione del campo rotante. Supponiamo che il campo magnetico del vettore induzione B sia uniforme e che tutte le linee di flusso costituiscano un complesso solidale rotante con velocità angolare ω intorno all asse A - A', in verso antiorario per chi guarda da A. Da quanto detto in precedenza, la spira sarà sede di fenomeni

6 di induzione elettromagnetica, tranne nel caso in cui essa ruoti con la stessa velocità del campo. Nel caso in cui questa spira fosse ferma avremo che il flusso magnetico concatenato con essa risulterà essere, essendo il campo del vettore B uniforme e rotante con velocità ω 0, variabile nel tempo con legge sinusoidale di pulsazione ω 0. Questa variazione di flusso indurrà una f.e.m. nella spira chiusa con conseguente circolazione di una corrente, anch essa sinusoidale di pulsazione ω 0, che, per la legge di Lenz, avrà un verso tale da opporsi alla causa che l ha generata, cioè al moto relativo (rotatorio) fra campo magnetico e spira. A B ω ω 0 A' Figura 3.1: spira immersa in un campo magnetico rotante. La corrente indotta tenderà ad annullare, o, comunque, a ridurre l entità di questo moto relativo, cioè, per effetto delle forze elettromagnetiche cui è soggetta la spira, tenderà a far ruotare la spira nello stesso verso del campo rotante: ecco dunque l effetto motore, illustrato in Figura 3.2. Se però la spira ruotasse sincrona con il campo rotante, cioè con la stessa velocità ω 0, il moto relativo tra spira e campo si annullerebbe e si ridurrebbe a zero sia la f.e.m. indotta che la corrente nella spira, con la conseguente scomparsa delle forze elettromagnetiche. I ben noti fenomeni elettromagnetici che danno luogo a forze, e quindi a momenti di forze (o, se volete, a coppie meccaniche), allorché una corrente elettrica scorre in una spira immersa in un campo magnetico, hanno luogo, nel sistema considerato, solo se nella spira circola corrente. Questa corrente non può esistere che per induzione, la quale può sostenersi solo se la spira ruota in maniera asincrona rispetto al campo rotante, cioè ruota con una velocità angolare diversa da ω 0 ; da ciò nasce l aggettivo asincrono adoperato per definire questo tipo di motore, che viene chiamato anche motore a campo rotante, perché è la più

7 importante applicazione della scoperta di Ferraris; o ancora motore ad induzione non tanto perché il fenomeno dell induzione elettromagnetica sia fondamentale, come del resto è per tutte le macchine che sfruttano tale fenomeno, ma perché la parte rotante è sede esclusivamente di correnti indotte, indispensabili per il suo funzionamento. ω 0 B C i f ω f i F ω 0 Figura 3.2: generazione della coppia motrice nel motore asincrono. Dunque, affinché esista coppia meccanica, la spira deve ruotare attorno all asse A - A' con una velocità angolare diversa da ω 0 (con ω 0 > 0); indichiamo con ω, diversa da ω 0, questa velocità angolare della spira. Risulta che, se 0 < ω < ω 0, la coppia esercitata dalla spira è concorde con il verso di rotazione del campo magnetico e la macchina funziona da motore; se, invece, ω > ω 0 la coppia esercitata è di segno discorde con il verso di rotazione del campo magnetico e la macchina funziona da generatore. Nel caso in cui ω < 0, ossia quando la macchina ruota forzatamente in senso opposto al campo, si ha il funzionamento da freno, con la coppia elettromagnetica che si oppone al movimento. In realtà anche il funzionamento da generatore può essere considerato come un freno, per la presenza di una coppia resistente; in questo caso, però, gran parte dell energia meccanica fornita alla macchina viene trasformata in energia elettrica ed inviata in rete, mentre, nel funzionamento da freno, sia la potenza elettrica che la potenza meccanica, assorbite dalla macchina, sono dissipate in calore, per effetto Joule, negli avvolgimenti della macchina stessa. Ma di questo torneremo a parlare, in maniera più approfondita, nel seguito. La spira segue, pertanto, la rotazione del campo magnetico ad una velocità minore in modo tale che scaturisca un moto relativo di scorrimento tra campo magnetico

8 induttore e spira indotta ed in quest ultima circolino correnti di intensità tale da sviluppare una coppia motrice capace di mantenere la spira in rotazione. Se la spira rallentasse per la presenza di una coppia frenante maggiore, aumenterebbe la velocità angolare con la quale il campo precede la spira, cioè aumenterebbero la differenza tra le due velocità e la f.e.m. indotta e, di conseguenza, le correnti e la coppia motrice assumerebbero un valore tale da vincere la nuova coppia resistente ad una diversa velocità. Ciò vuol dire che, in questo tipo di motore, una diminuzione della velocità comporta un automatico aumento della coppia motrice. In teoria, è del tutto equivalente mantenere fisso l indotto o l induttore, proprio come abbiamo discusso per la macchina sincrona; tuttavia, poiché il sistema induttore, cioè quello che crea il campo magnetico rotante, deve essere collegato alla linea trifase di alimentazione, si preferisce mantenerlo fisso per evidenti motivi di pratica convenienza. Andiamo ora ad illustrare la struttura generale del MAT, esaminandone i principali aspetti costruttivi. Struttura generale Il motore asincrono è costituito, come mostrato in Figura 3.3, da due parti fondamentali di forma cilindrica coassiali: una parte esterna, fissa, detta statore ed una interna, coassiale, munita di albero, sostenuto da due supporti, libera di ruotare intorno all asse della macchina, detta rotore. In particolare, nella figura si notano i seguenti dettagli: 1. albero con chiavetta; 2. anello della gabbia; 3. sbarra di rame; 4. morsettiera; 5. ventola di raffreddamento; 6. spaccato delle matasse degli avvolgimenti di statore; 7. spaccato del circuito magnetico statorico; 8. pacco del circuito magnetico rotorico; 9. alette di raffreddamento della carcassa esterna.

9 Figura 3.3: vista esplosa delle varie parti di un motore asincrono a gabbia. I circuiti magnetici di statore e di rotore sono mostrati in Figura 3.4. Cava statorica Cava rotorica Circuito magnetico statorico Traferro Circuito magnetico rotorico Figura 3.4: circuiti magnetici di statore e di rotore. Proprio come accadeva per la macchina sincrona, lo statore ed il rotore sono separati da una intercapedine in aria, di spessore uniforme, detto traferro (oppure

10 interferro), sempre realizzato del più piccolo valore possibile, che può variare da qualche decimo di millimetro per i piccoli motori, a qualche millimetro, per i motori più grossi. Lo statore di Figura 3.5 è formato da un pacco di lamierini costituiti di ferro e silicio a forma di corona circolare, isolati tra loro, ed è munito al suo interno di cave in cui trovano posto i conduttori costituenti l avvolgimento di statore, sempre di tipo polifase. Figura 3.5: statore di una macchina asincrona. Lo statore è sostenuto dalla carcassa, come mostrato in Figura 3.6, che costituisce la struttura portante del MAT e che deve permettere il fissaggio del motore al piano di supporto e resistere alle sollecitazioni meccaniche trasmesse dalle diverse parti in rotazione. Figura 3.6: cassa statorica in metallo pressofuso.

11 Il rotore rappresentato in Figura 3.7 è costituito anch esso da un pacco di lamierini di ferro arricchiti di silicio, all interno del quale passa l albero di rotazione e nella cui parte esterna sono disposte un certo numero di cave in cui sono allocati i conduttori che costituiscono l avvolgimento di rotore. Figura 3.7: rotore di una macchina asincrona. Sia lo statore che il rotore sono laminati in senso normale all asse della macchina per ridurre le perdite per correnti parassite, essendo la macchine sede di un flusso magnetico variabile. Il tenore di silicio, contenuto nel materiale ferromagnetico, è basso, meno dell 1%, per ridurne la fragilità e la durezza; la carcassa è invece in ghisa, talvolta anche in alluminio. Per evitare l impuntamento del motore all avviamento, si fanno primi tra loro il numero delle cave per polo e per fase del rotore e dello statore. Inoltre, il rapporto tra il numero delle cave di statore e quello di rotore non deve mai essere un numero intero per evitare vibrazioni del motore dovute a variazioni ritmiche del flusso magnetico al traferro (effetto sirena); generalmente, il numero delle cave di rotore è maggiore di quello di statore. Un altro aspetto da non trascurare è il problema del raffreddamento del MAT, raffreddamento che, a seconda della potenza della macchina, può essere naturale, forzata o con scambiatori di calore (aria - aria oppure aria - acqua). All aumentare della potenza crescono le perdite e, quindi, il riscaldamento, ma la superficie disperdente della macchina non cresce secondo la stessa legge, per cui si avrà un aumento della temperatura; ne deriva un limite superiore a questa potenza, in rapporto alle caratteristiche costruttive e al dimensionamento del MAT, non dovendosi mai raggiungere temperature eccessive tali da portare al degradamento delle parti isolanti. È per questo motivo che, nelle macchine di elevata potenza, vengono lasciati degli spazi vuoti (canali di raffreddamento) lungo lo sviluppo assiale dello statore. Bisogna anche ricordare che ogni materiale isolante ha una propria vita, che è il periodo di tempo durante il quale le sue caratteristiche risultano idonee alle funzioni alle quali è deputato e che è accertato che la vita dell isolante è tanto più breve quanto più alta è la temperatura a cui lavora. Da ciò segue che, considerato